Ballett in der Luft: kontrollierte Partikelschwebung durch Schallwellen

"Niemand wird Ihren Schrei im Weltraum hören" - dieser berühmte Satz aus dem ebenso berühmten Film "Alien" (1979) sagt uns buchstäblich zwei Dinge von der Schwelle. Erstens, dass es sich um einen Horrorfilm handelt, und zweitens, dass sich in einem Vakuum nicht verbreitet, woran sich viele von uns von Geburt an buchstäblich gewöhnen, nämlich Ton. Schallwellen umgeben uns immer und überall, obwohl wir sie nicht sehen. Was wäre, wenn sie könnten? Was wäre, wenn Schall als "telekinetische" Kraft eingesetzt werden könnte? Richten Sie das Gerät ein, wählen Sie die Frequenz und den Voila aus - das Objekt bewegt sich nach Belieben. Heute werden wir eine Studie über eine neue Technologie betrachten, die als holographische akustische Pinzette bezeichnet wird und mit der Wissenschaftler die Partikel gezwungen haben, gemäß dem von ihnen angegebenen Muster zu schweben. Wie haben Wissenschaftler es geschafft, Kupferfelder aus Mikropartikeln herzustellen, wie effizient ist die Technologie und welche Art von Anwendung können Wissenschaftler dafür sehen? Wir werden im Bericht der Forschungsgruppe nach Antworten auf diese und andere Fragen suchen. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wissenschaftler vergleichen ihre Technologie der holographischen akustischen Pinzette (im Folgenden: HAP) mit ihrer Cousine GOP (Abkürzung für Abkürzung) - holographische optische Pinzette. GOP begann seine erfolgreiche Reise 1986. Seitdem ist diese Technologie aktiv in der Medizin, in der DNA-Forschung und bei der Erstellung dreidimensionaler Projektionen beteiligt. Im Wesentlichen können Sie mit GOP einzelne Partikel durch Laserstrahlung manipulieren. HAP macht dasselbe, verwendet jedoch Schallwellen (oder besser Ultraschall) anstelle von Licht.

Die Abmessungen von Objekten, die wie Bienen unter Hypnose fliegen können, liegen zwischen 1 Mikron und 1 cm oder mehr, was ziemlich beeindruckend ist. Momentan kann eine Partikelschwebung in Luft und Wasser realisiert werden. Wissenschaftler sprechen jedoch auch über die Möglichkeit, diese Technologie für die Arbeit in biologischen Objekten, beispielsweise im menschlichen Körper, einzusetzen. Forscher arbeiten an HAP nicht aus müßiger Neugier, sondern in der Hoffnung, ein neues medizinisches Instrument zu schaffen.

Es ist anzumerken, dass der HAP eine Schallstrahlungsleistung pro Eingangsleistungseinheit hat, die fünf Größenordnungen höher ist als die einer optischen Pinzette. Somit wird HAP eine ausgezeichnete Option für die Arbeit in Geräten auf zellularer Ebene.

Die Forscher stellen fest, dass es bisher aufgrund von Schallwellen bereits möglich war, Partikel in der richtigen Position zu positionieren, jedoch in Gruppen. In dieser Studie wird eine Technologie implementiert, mit der Sie einzelne Partikel entlang eines einzelnen Musters (Route) bewegen können. Einer wurde nach links geschickt, der andere nach oben, der dritte nach unten usw. Das bisher mögliche Maximum bestand darin, nur zwei Wasserteilchen in einem zweidimensionalen Raum mittels Emitterringen in einer Mikrofluidikkammer einzeln zu manipulieren.

Hier wird alles etwas anders umgesetzt. Die Forscher verwendeten ein Ultraschall-Phased-Array * , das sein Strahlungsfeld über einen Algorithmus steuert.

Phased Phased Array * - ein Gerät, mit dem Sie die Fokusposition ändern oder mehrere Tricks erstellen können, ohne das Array selbst zu bewegen.

Der in der GOP-Technologie verwendete Algorithmus ist nicht für akustische Pinzetten geeignet. In der Optik reicht es aus, sich nur auf das Partikel zu konzentrieren, um es einzufangen. In der Akustik können jedoch nur Partikel erfasst werden, deren akustische Impedanz * geringer ist als die der Umgebung. Mit anderen Worten sollten die Partikel einen "negativen Kontrast" haben.

Die akustische Impedanz * ist die akustische Impedanz des Mediums, d.h. das Verhältnis der Schalldruckamplitude zu Schwankungen der Raumgeschwindigkeit.

Die meisten Partikel in Luft und Wasser weisen jedoch einen positiven Kontrast auf. Dementsprechend ist eine Partikelaufnahme aufgrund von Schallwellen nur in bestimmten Abschnitten der stehenden Welle (in Knoten), in konzentrierten Wirbeln * usw. möglich.


Rote Punkte markieren die Knoten der stehenden Welle.

Konzentrierte Wirbel * - Wirbelrohre von extrem geringer Intensität mit unendlich kleinem Durchmesser, neben denen sich die Flüssigkeit im Kreis zu bewegen beginnt.

Daher verwendeten die Forscher den iterativen Backpropagation (IB) -Algorithmus, um die Emissionsphasen für Gitterelemente zu berechnen.

Und als "Testpiloten" waren Kugeln aus Polystyrol mit einem Durchmesser von 1 bis 3 mm.


Demonstration der Installation mit Partikeln in der Luft (unglaublich cool, wie für mich).

Forschungsergebnisse

Zu Beginn des ersten Tests befanden sich die Partikel bewegungslos auf der Reflexoberfläche. Wenn ein Schallstrahl auf ein Teilchen fokussiert, das sich auf einer solchen Oberfläche befindet, entsteht eine lokale stehende Welle, wobei sich der erste Knoten in der Position λ / 4 über der Oberfläche befindet (Bild Nr. 1). Dies ist auf Interferenzen zwischen eingehenden und reflektierten Feldern zurückzuführen. An dieser Stelle konvergieren in allen drei Dimensionen die Kräfte, die zum Einfangen des Partikels erforderlich sind. Um mehrere Partikel gleichzeitig zu manipulieren, müssen mehrere Brennpunkte gleichzeitig erzeugt werden, was zum Einfangen von Partikeln an Stellen führt, die oberhalb der Brechung entstehen.


Bild Nr. 1

Und hier brauchen wir den oben beschriebenen Algorithmus, mit dem wir die Fokuspunkte der Partikelposition markieren können. Und die Emissionsphasen steuern wiederum dynamisch die Bewegung des Fokus und damit die Bewegung der Partikel.

Die Verwendung des IB-Algorithmus stellt laut Wissenschaftlern sicher, dass die Druckamplituden im Fokus maximiert und die Abweichung zwischen verschiedenen Punkten minimiert wird. Somit betrug der Mindestabstand zwischen Partikeln 1,3 cm (1,5 & lgr;), unabhängig von der Anzahl der zu manipulierenden Partikel.


Demonstration der Manipulation von 10 Partikeln in Luft in einer Höhe von λ / 4 über dem Reflektor.

Das Verringern des Abstands zwischen den Partikeln führt zu einer Verschmelzung des Fokus, was es unmöglich macht, die Partikel einzeln zu manipulieren.

Der Anregungssignalpegel betrug 10 Vpp (Volt Spitze-Spitze) * bei 9,5 W Eingangsleistung, was es ermöglichte, 12 Partikel gleichzeitig einzeln zu manipulieren. Wenn das Signal auf 16 Vpp erhöht wird, beträgt die Anzahl der manipulierten Partikel 25.

Vpp (Volt Spitze-Spitze) * ist die Spitzenspannung eines Signals, gemessen von der Oberseite der Welle bis zu ihrer Unterseite.

Die Studie zeigte auch, dass eine Leistungssteigerung die maximale Anzahl möglicher manipulierter Partikel nicht beeinflusst. Beim Versuch, 28 Partikel einzufangen, traten unerwünschte Artefakte auf, deren Stärke der Stärke der Einfangpunkte entsprach.


Demonstration der Manipulation von 25 Partikeln.

Mit HAP konnten auch Einzelwirbelstrahlen zum Erfassen und Übertragen von gepulsten Orbitalmomenten erzeugt werden.


Drei unabhängige Partikelwirbel.

Das System ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung mehrerer Wirbel mit unabhängiger Chiralität unter Verwendung des IB-Algorithmus.


Dieses Video zeigt drei separate Wirbel auf der Wasseroberfläche, deren Chiralität von Wissenschaftlern in Echtzeit geändert wurde.

Der Abstand zwischen den Wirbeln war absichtlich groß, um den Prozess besser sehen zu können. Der Mindestabstand, den Wissenschaftler erreichen konnten, betrug jedoch 1,4 cm (1,6 λ), und die maximale Anzahl gleichzeitiger Wirbel betrug 5.

Die Wissenschaftler testeten auch die Theorie der akustischen Doppelfallen, indem sie diejenigen in ihrem System neu erstellten (Video unten). Es war auch möglich, die Kraft der Doppelfalle und des Wirbels zu kombinieren. Dieses Verfahren ließ das Teilchen jedoch lange Zeit nicht schweben, da eine solche Gelenkkraft 30-mal schwächer als die Seitenkräfte ist.


Doppelte Fallen + Wirbelwinde.

Das Video zeigt auch, dass die Ausrichtung aller vier Partikel unterschiedlich ist und durch Drehen von Doppelfallen geändert werden kann. Diese Konfiguration des Systems ermöglichte es, gleichzeitig 7 Doppelfallen zu realisieren, deren Mindestabstand ungefähr 1,4 & lgr; betrug.

Es bleibt die dreidimensionale Manipulation zu überprüfen. Zu diesem Zweck verwendeten die Wissenschaftler ein zweiseitiges Gitter aus zwei entgegengesetzt gerichteten Gittern (16 x 16 Emitter), die durch einen Abstand von 23 cm (26,7 λ) voneinander getrennt sind, wodurch mehrere stehende Wellen mit Knoten an den gewünschten Positionen erhalten werden können.


Dreidimensionale Manipulation von 12 Partikeln.



Mit einer holographischen optischen Pinzette können Sie 27 Partikel gleichzeitig dreidimensional manipulieren. Im Fall von HAP ist diese Anzahl aufgrund der Abmessungen der Anlage (16 x 16), der räumlichen Diskretisierung und des Druckniveaus geringer (12 Partikel). Den Wissenschaftlern gelang es jedoch, eine teilweise Kontrolle über 25 Partikel zu erreichen. Einige von ihnen „rutschten“ aus dem Griff, als ihre Stärke zunahm, um den Widerstand gegen Partikelvibrationen in der Luft zu erhöhen.

Für eine detailliertere Kenntnis der Studie (Berechnungen, Funktionsweise des Algorithmus, Methoden) empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien dazu zu lesen.

Nachwort

Der Klang ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint (ein seltsamer Satz stellte sich heraus). In der wissenschaftlichen Gemeinschaft wird viel Wert auf die Optik und das Studium ihrer Komponenten, die Identifizierung neuer Anwendungsmethoden und die Implementierung bestimmter optischer Aspekte gelegt. In der Akustik gibt es jedoch viele interessante Dinge, die nicht nur überraschen, sondern auch unglaublich nützlich sein können.

Wissenschaftler selbst sagen in ihrer Studie, dass ihre Arbeit auf die Umsetzung in der Medizin abzielt. Die Hauptaufgabe dieser Studie ist die Schaffung einer Technologie, mit der ein Partikel (z. B. ein Arzneimittel) ohne invasive Intervention auf einen notwendigen Teil des menschlichen Körpers gelenkt werden kann. Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass die Partikel selbst unglaublich klein sein können, was nicht nur bei der Behandlung, sondern auch bei der Untersuchung komplexer biologischer Systeme neue Möglichkeiten eröffnet.

Die neue Installation hat bereits gute Ergebnisse gezeigt. Natürlich bleibt noch viel zu tun, zu verbessern und zu verbessern, aber die ersten Schritte wurden bereits unternommen. Solche Arbeiten verdienen besondere Aufmerksamkeit nicht nur wegen ihrer Steilheit und Unwahrscheinlichkeit der Umsetzung, sondern auch wegen der von Wissenschaftlern verfolgten Ziele. Wenn diese Ziele mit dem Wohlbefinden des Menschen zusammenhängen, verdienen die Forschung und diejenigen, die sie durchführen, doppelten Respekt.

Epilog 2.0

Meine lieben Leser, heute sehen (oder lesen) wir das letzte Mal in diesem Jahr mit Ihnen. Es gab viele unglaubliche, erstaunliche und manchmal nur lustige Studien, Entdeckungen, Werke und Theorien. Ich bin sicher, dass wir nächstes Jahr noch mehr wissenschaftliche Forschung betreiben werden. Und das ist gut. Die Wissenschaft entwickelt sich und wir entwickeln uns mit.

Egal wie Sie das Kommen des neuen Jahres feiern (oder vielleicht gar nicht), Ihre Lieben nicht vergessen, auf sie aufpassen, lieben und geliebt werden, neugierig bleiben, jeden Moment wertschätzen, keine Zeit mit negativen Emotionen verschwenden (Nervenzellen erholen sich sehr langsam) und sein sind glücklich. Bis zum nächsten Jahr, Leute.



Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s bis zum 1. Januar kostenlos, wenn Sie für einen Zeitraum von sechs Monaten bezahlen, können Sie hier bestellen.

Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 GB DDR4 6 x 480 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 249 US-Dollar in den Niederlanden und den USA! Lesen Sie mehr über den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?